反射式超声层析成像算法研究及matlab实现【字数：14959】
反射式超声层析成像算法研究及matlab实现[160515131475155x]
在生产工业中，为了确保生产过程的安全高效进行，并提高产品质量，过程参数检测技术起着十分重要的作用。而近二十余年发展起来的超声层析成像技术，以其无污染、价格低廉、适用性广等优点在工业领域上具有重要的应用背景。本文主要利用反射式超声层析成像算法对液/固两相流进行图像重建反演。当前，超声层析成像技术不够成熟，如何提高图像重建算法的精度以及如何获得有效的信号是超声成像技术的两个难点。鉴于此，本论文主要分析了液/固两相体系的超声层析成像算法并利用MATLAB进行图像重建。首先，本文在介绍了超声波传播原理的基础上，介绍了反射式原理，并对其环形超声换能器的阵列模型进行介绍，为获得清晰准确的重建图像，本文仿真工作设置16个超声换能器均匀的分布在管道周围。然后，具体分析了图像重建算法。通过结合椭圆弧算法和圆弧算法，在特定的液体中，模拟渡越时间来确定每一条投影路径的数据，以提高图像精度。最后利用MATLAB软件编写相应程序，利用GUI界面自定义了不同数量不同形状的颗粒在液体中的分布情况，进行图像重建。重建结果比较精确。目录
1．绪论 1
1.1本文研究背景与意义 1
1.2超声层析成像技术的发展与研究现状 1
1.3本文的主要研究内容与章节安排 3
2. 超声的传播原理 4
2.1超声波的介绍 4
2.2超声波的特征 4
2.2.1声压 4
2.2.2 声强 5
2.2.3 声阻抗 5
2.2.4声衰减 5
2.3超声波的传播 6
2.3.1 声速 6
2.3.2 超声波的界面传播 7
3. 反射式超声层析成像系统 9
3.1反射超声检测原理 9
3.2环形超声换能器的阵列模型 10
3.3环形超声阵列工作原理 11
4. 反射式超声层析成像的重建算法 13
4.1渡越时间与反向投影 13
4.2圆弧反投影法 15
4.2椭圆弧反投影法 17
5. 反射式超 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
声层析成像的数值仿真 21
5.1GUI功能面板的介绍 21
5.2反向投影数据仿真及重建结果 22
5.2.1MATLAB程序设计 22
5.2.2单颗粒成像重建结果 24
5.2.3多颗粒成像重建结果 26
5.3成像误差分析与结论 29
5.3.1成像误差分析 29
5.3.2结论 30
6. 总结与展望 31
6.1总结 31
6.2展望 31
6.3对环境及社会可持续发展的影响 32
参考文献 33
附录 34
致谢 40
1．绪论
1.1本文研究背景与意义
在工业生产过程中，过程参数检测技术已经发挥着越来越重要的作用了，借助这一技术，不但能保证生产过程的安全高效进行，而且提高了产品质量。从上世纪80年代起，过程层析成像技术就能够实现两相流的非接触式连续测量，还可提取出与被测流体流动状态相关的特征参数[1]。这一技术在化工、煤炭、冶金、电力、建筑等领域中多有体现，在这些工业过程中，往往存在着两相流，也就是多相物质混合流动的现象，例如气液两相流的火力发电厂锅炉和液固两相流的水力旋流器。由于两相流的特性，导致其流动过程较为复杂，且各类参数也难以测得，过程层析成像技术可以对两相流进行实时检测，获得一系列过程参数。随着工业的发展，两相流的过程检测技术在工业生产中被大量应用，对工业控制高效性和准确性的要求日益提高。因此，过程层析技术的发展迫在眉睫。
在许多涉及多相流的工业应用中，需要了解不同相的体积分数，以控制和优化生产过程。过程层析成像能够提供有关相位空间分布的信息，这引起了大量学者的兴趣。使用电离辐射、电场、微波和超声波存在于许多测量概念，超声波对诸如密度之类的机械材料特性很敏感。因此，基于超声波的测量技术非常适合于液相和气相以及固相和液相的鉴别，尤其是液固两相界面的反射率大于99%的情况下，使超声波极其适用于两相介质的测量。与基于辐射的方法相比，超声层析成像具有成本低、安全性低的优点。此外，与电学层析成像法相比，超声的小波长能够提供一个非常好的空间分辨率，适用于高浓度条件下的测量。
超声层析成像为化学工业过程提供了定量和实时成像的机会，这种方法已用于检测气液和液固两相流。另一方面，为了提高医学诊断，如乳腺癌检测的质量，已经研究了大量的层析成像方法，但是在组织病理学的鉴别能力方面，使用超声断层扫描进行临床组织定位研究仍然无法与X射线成像方法相比。由于材料的不均匀性，超声波在穿透物体和背景介质时比X射线复杂，材料的反射指标不同，使超声波沿传播路径不是直线。可以用“傅立叶衍射定理”和“光线跟踪算法”来处理这个问题[2]。但当物体内部结构的材料反射指数变化不大时，波的路程仍可以近似地看作直线，当物体或波传播介质对超声能量产生严重衰减时，反射模式下的超声层析成像比透射模式更具优势。
1.2超声层析成像技术的发展与研究现状
过程层析成像技术（PT）,是医学诊断中计算机断层成像技术（CT）在工业过程中的应用，超声层析成像技术（UPT）更是为许多工业过程提供了定量和实时成像的机会。20世纪20年代时，苏联科学家S.J.Sokolov就已经开始了超声成像的研究，由于技术和当时时代背景的种种原因，超声层析成像技术研究进展缓慢，直到60年代，由于科技的迅速发展，大大推动了超声成像的研究和应用，1972年第一台CT机研制成功以来，使得超声成像技术在医学诊断中得到不断应用。
此后，就有人不断尝试想将该技术运用到工业生产领域中，来进行多相流的检测。70年代时，由于电子技术水平并不高，工业生产中大量数据的实时监测和图像的重建成为当时难以解决的障碍，使得这一技术运用的想法并没有得到很好地实现。1985年，随着“流动成像”这一概念的提出，有学者发现在工业现场中超声、电容、红外等检测手段能够得到比较好的应用，欧美一些研究小组纷纷采用这些手段来进行层析成像技术的研究，获得两相流流动参数的实时二维分布。英国曼彻斯特大学理工学院率先研制出8个电极的电容层析成像系统，该系统表现出一种非侵入式，对两相流介质进行检测时不用与其相接触，且具有成本低、制作容易、动态响应好等优点。接下来两年，英国曼彻斯特大学研究小组通过Transputer阵列式处理器采用12电极对该系统进行了改进，使用并行处理方式加快了对数据的处理能力，以加强电容层析成像系统的实时性。同时期美国和法国也投入到该技术的研究[3]。
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